JP4097494B2

JP4097494B2 - 三相交流モータ駆動用インバータ装置

Info

Publication number: JP4097494B2
Application number: JP2002280084A
Authority: JP
Inventors: 之彦佐藤; 正典大和; ジャヤアルマン
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: JP2004120883A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ回路を構成する半導体スイッチ素子に故障が発生した場合でも、三相交流モータの運転の継続を可能にする三相交流モータ駆動用インバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電力変換システムが基盤技術として社会を支えるに至り、故障などによってシステムが停止した場合の社会的悪影響は大きい。このため、電力変換器の故障に対し、駆動システムの高信頼化が要求される場合には、複数の装置を用意し冗長性を持たせることや、決められた使用時間に達すると、状況の如何にかかわらず装置を更新するなどして信頼性を確保してきた。これらの手法は、故障自体について即時に対策を講ずるものではなく、突然の故障に対しては無防備である。なお電動機駆動用インバータに用いられている半導体スイッチ素子（バルブデバイス）の故障としては、一般的には、過電流による短絡故障、経年劣化等による開放故障の２つの故障モードが考えられる。
【０００３】
インバータ回路を構成する半導体スイッチ素子に故障が発生したときでも、三相交流モータの運転を継続することができるインバータ装置については、海外において報告例がある。例えば、１９９３年に発行された「ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＩＮＤＵＳＴＲＹＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ．ＶＯＬ．２９．ＮＯ．５」の９１０頁〜９１７頁に掲載された「Ａｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｆｉｅｌｄ−ｏｒｉｅｎｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｅｒｄｒｉｖｅｓ」と題する論文に記載のインバータ装置では、三相交流モータの中性点を整流回路の出力の中性点に接続する必要がある。そのためモータ側の構造も含めてインバータ装置を構成する必要があった。
【０００４】
また２００１年に発行された「ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＩＮＤＵＳＴＲＹＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ．ＶＯＬ．３７．ＮＯ．３」の８７３頁〜８７９頁に掲載された「Ａｎｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｉｍｐｒｏｖｅｄｆａｕｌｔｔｏｌｅｒａｎｃｅ」と題する論文に掲載のインバータ装置では、通常の三相インバータ回路に加えて余分な主回路素子を必要とする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前者の従来のインバータ装置では、三相交流モータの中性点を整流回路の出力の中性点に接続する必要があるため、モータ側の構造も含めてインバータ装置を構成する必要があった。
【０００６】
また後者のインバータ装置では、通常の三相インバータ回路に加えて余分な主回路素子を必要とするため、通常のモータやインバータ回路をそのまま利用することができない問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、通常の三相交流モータ及びインバータ回路を用いることができて、しかもインバータ回路を構成する半導体スイッチ素子に故障が発生した場合には、三相交流モータの運転を継続することができる三相交流モータ駆動用インバータ装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、整流回路の出力側の中性点の電圧が変動する場合でも、支障なく三相交流モータの運転を継続することができる三相交流モータ駆動用インバータ装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、インバータ回路を構成する半導体スイッチ素子の故障時においても、故障前と同じトルクを得ることができる三相交流モータ駆動用インバータ装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の別の目的は、インバータ回路を構成する半導体スイッチ素子の故障を簡単に検出することができる三相交流モータ駆動用インバータ装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、交流電源の出力を整流する整流回路を含んで構成される直流電源回路と、それぞれ直列に接続された２つの半導体スイッチ素子と該半導体スイッチ素子に対して直列に接続されたヒューズとを含んで構成された第１乃至第３のアーム回路が並列接続されて構成され、直流電源回路から供給される直流電圧を三相交流電圧に変換する三相電圧制御型インバータ回路と、三相電圧制御型インバータ回路を構成する６個の前記半導体スイッチ素子をそれぞれＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号を発生するＰＷＭ制御回路を含むＰＷＭ制御器とを備えて三相分の励磁巻線が星形結線された三相交流モータを駆動する三相交流モータ駆動用インバータ装置を改良の対象とする。
【００１２】
直流電源回路は整流回路の出力電圧を等分して中性点に出力する分圧回路を備えている。そして本発明は、故障素子判定手段と、中性点接続スイッチ回路と、中性点接続スイッチ駆動回路とを備えている。故障素子判定手段は、第１乃至第３のアーム回路をそれぞれ構成する半導体スイッチ素子の故障を検出する。中性点接続スイッチ回路は、第１乃至第３のアーム回路をそれぞれ構成する２つの半導体スイッチ素子の接続点によってそれぞれ構成される第１乃至第３の出力点と中性点との間に配置されて第１乃至第３の出力点を選択的に中性点に接続するように構成されている。また中性点接続スイッチ駆動回路は、故障素子判定手段の判定結果に基づいて、故障している半導体スイッチ素子を含むアーム回路の出力点を中性点に接続するために中性点接続スイッチ回路に駆動信号を出力するように構成されている。そしてＰＷＭ制御器は、故障素子判定手段の判定結果に応じて、故障している半導体スイッチ素子を含む１つのアーム回路以外の２つのアーム回路を構成する４個の半導体スイッチ素子にＰＷＭ制御信号を与えて、位相差π／３を持つ線間電圧が第１乃至第３の出力点間に現れるように構成されている。
【００１３】
本発明をより具体的なレベルで表現すると、本発明が改良の対象とする三相交流モータ駆動用インバータ装置は、直流電源回路と、三相電圧制御型インバータ回路と、第１の正弦波信号発生回路及びＰＷＭ制御回路を含むＰＷＭ制御器とを具備する。直流電源回路は、交流電源の出力を整流する整流回路を含んで構成される。本発明においては、直流電源回路が、整流回路の出力電圧を等分して中性点に出力する分圧回路を備えている。また三相電圧制御型インバータ回路は、それぞれ直列に接続された２つの半導体スイッチ素子と該半導体スイッチ素子に対して直列に接続されたヒューズとを含んで構成された第１乃至第３のアーム回路が並列接続されて構成され、直流電源回路から供給される直流電圧を三相交流電圧に変換する。なお三相電圧制御型インバータ回路の構成は、ダイオード等の各種の付属部品がインバータ回路の周辺に存在していてもよい。ＰＷＭ制御器に含まれる第１の正弦波信号発生回路は、位相が１２０度ずつ異なる所定の周波数の３種類の正弦波信号を発生する。またＰＷＭ制御回路は、３種類の正弦波信号を入力として、三相電圧制御型インバータ回路を構成する６個の半導体スイッチ素子をそれぞれＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号を発生するように構成されている。ここで１個の半導体スイッチ素子とは、物理的に１個の半導体スイッチ素子から構成される場合だけでなく、トランジスタのダーリントン接続のように複数個の半導体スイッチ素子により１つのスイッチ回路が構成される場合を含むものである。
【００１４】
本発明では、故障素子判定手段を設ける。この故障素子判定手段は、第１乃至第３のアーム回路をそれぞれ構成する２つの半導体スイッチ素子の接続点によってそれぞれ構成される第１乃至第３の出力点から三相交流モータの星形結線された三相分の励磁巻線にそれぞれ供給されるモータ電流に基づいて、第１乃至第３のアーム回路をそれぞれ構成する２つの半導体スイッチ素子の故障を検出する。故障素子判定手段は、例えば、第１乃至第３の出力点から三相交流モータに出力される三相電流を検出するモータ電流検出器の出力に基づいて、相電流の有無から故障した半導体スイッチ素子を判定するように構成することができる。
【００１５】
また本発明においては、第１乃至第３の出力点と分圧回路の中性点との間に、第１乃至第３の出力点を選択的に中性点に接続する中性点接続スイッチ回路を設ける。この中性点接続スイッチ回路は、第１乃至第３の出力点から選択された１つの出力点を中性点に接続するものである。この接続により、三相励磁巻線は、電気的に２つの励磁巻線がＶ結線された状態になる。
【００１６】
そこで本発明では、中性点接続スイッチ駆動回路を設ける。この中性点接続スイッチ駆動回路は、故障素子判定手段の判定結果に基づいて、故障している半導体スイッチ素子を含むアーム回路の出力点を中性点に接続するために中性点接続スイッチ回路に駆動信号を出力する。
【００１７】
更に本発明においては、ＰＷＭ制御器に、位相が６０度ずつ異なる所定の周波数の２種類の正弦波信号を発生する第２の正弦波信号発生回路と、信号切換回路とを更に設ける。信号切換回路は、故障素子判定手段の判定結果に応じて、故障している半導体スイッチ素子を含む１つのアーム回路以外の２つのアーム回路を構成する４個の半導体スイッチ素子にＰＷＭ制御信号を与えるために、３種類の正弦波信号に代えて２種類の正弦波信号をＰＷＭ制御回路に入力する。そしてＰＷＭ制御回路は、３種類の正弦波信号に代えて２種類の正弦波信号が入力されると、三相交流モータの励磁巻線が、Ｖ結線されたものとして所定の励磁巻線を励磁するためのＰＷＭ制御信号を出力するように構成されている。
【００１８】
励磁巻線の一相に対応するインバータ回路のアームを構成する半導体スイッチ素子に導通不良の故障が発生した場合には、その半導体スイッチ素子を通して十分に電流が流れなくなる。またその半導体スイッチ素子が短絡状態になる故障が発生した場合には、各アームに含まれるヒューズが切れて、結果的には前述と同様にその半導体スイッチ素子を通しては電流が流れなくなる。このような状態になったときに、本発明では故障した半導体スイッチ素子を含むアームの出力点を整流回路の出力電圧を等分する中性点に接続することにより、三相の励磁巻線のうち健全な二相の励磁巻線をＶ結線する。そして健全な二相の励磁巻線に流れる電流を制御する２つのアームに含まれる４つの半導体スイッチ素子を位相差６０度の正弦波を用いてパルス幅変調することにより、Ｖ結線された二相の励磁巻線により三相平衡の出力電流が得られる。すなわちこの結線において、直流側の中性点を基準としてインバータ回路の残された正常な二相から、位相差π／３［ｒａｄ］を持つ正弦波の線間電圧を印加することで、電動機の相電圧に三相平衡電圧が得られるようになって、交流モータ（誘導機）を応急運転できるようになる。よって本発明によれば、特別に設計したモータや特別に設計したインバータ回路を用いなくても、インバータ回路を構成する半導体スイッチ素子が故障した場合に、応急運転を簡単に行うことができる。
【００１９】
なおインバータ回路の２相のみを使用して、モータの励磁巻線の１相を直流側の中性点に接続する回路方式自体は、海外において低コストインバータの実現方式の一つとして検討が行われている例がある。しかしながら、従来行われてきたこれらの検討は、通常のインバータを応急運転する場合に組み替える回路方式としての検討ではない。例えば、１９９９年７月に発行された「ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＩＮＤＵＳＴＲＹＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ．ＶＯＬ．１４．ＮＯ．４」の７４３頁〜７５２頁に掲載された「ＡｄａｐｔｉｖｅＳＶＭｔｏｃｏｍｐｅｎｓａｔｅＤＣ−ｌｉｎｋｖｏｌｔａｇｅｒｉｐｐｌｅｆｏｒｆｏｕｒ−ｓｗｉｔｃｈｔｈｒｅｅ−ｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅ−ｓｏｕｒｃｅｉｎｖｅｒｔｅｒｓ」と題する論文や、１９９５年にＩＥＥＥから発行された「ＶＳＩ−ＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒ／Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈａｒｅｄｕｃｅｄｓｗｉｔｃｈｃｏｕｎｔ」と題する論文には、定常的にモータの励磁巻線の１相を直流側の中性点に接続する回路方式が示されている。しかしながらこれらの論文中には、インバータ回路を構成する半導体スイッチ素子に故障が発生した場合の応急措置として、Ｖ結線を用いることはまったく示唆されていない。
【００２０】
直流電圧が同一の条件下で、Ｖ結線により応急運転をする場合には、正常なインバータ装置よりも出力できるトルクの上限が下がる問題がある。これを解消するためには、正弦波の周波数を下げること、例えば、応急運転では速度を通常の半分までとすることで、対象とする速度範囲での発生トルクを正常時と同等とすることができる。
【００２１】
しかしながらこのような低速運転（正弦波の周波数を下げる運転）を行う場合には、直流側の中性点の電圧の変動が顕著になり、交流モータの電流波形が悪くなる問題が生じる。そこでこれを解消するためには、中性点電圧変動分を検出する中性点電圧変動分検出回路と、第２の正弦波信号発生回路から出力される２種類の正弦波信号に中性点電圧変動分をそれぞれ加算する第１及び第２の加算回路とを更に設ける。そしてこの場合には、信号切換回路を、故障素子判定手段の判定結果に応じて、故障している半導体スイッチ素子を含む１つのアーム回路以外の２つのアーム回路を構成する４個の半導体スイッチ素子にＰＷＭ制御信号を与えるために、３種類の正弦波信号に代えて第１及び第２の加算回路から出力される中性点電圧変動分を含む２種類の正弦波信号をＰＷＭ制御回路に入力するように構成する。このようにすると直流側の中性点の電圧の変動を検出してインバータ回路のパルス幅変調の指令値に帰還することによる新しいパルス幅変調方式により、中性点の電圧の変動の影響を抑圧して、良好な出力電流波形を実現できる。
【００２２】
分圧回路は、整流回路の出力段に挿入される平滑用コンデンサを容量が等しい直列接続された２つの平滑コンデンサにより構成することができる。この場合には、２つの平滑コンデンサの接続点が中性点となる。
【００２３】
また中性点電圧変動分検出回路は、基準電圧と中性点の電圧とを比較して電圧変動分を検出するように構成すればよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の三相交流モータ駆動用インバータ装置の一実施の形態の構成の主要部を示す回路図である。図１において、符号１で示したものは２００Ｖの三相交流電源であり、この交流電源１の出力は６個のダイオードがブリッジ接続されて構成された整流回路２によって整流される。整流回路２の直流出力端子間には容量が等しい２つ平滑コンデンサＣ１及びＣ２が直列に接続されてなる直列回路から構成された分圧回路３が並列に接続されている。２つ平滑コンデンサＣ１及びＣ２の接続点が中性点Ｎを構成しており、中性点Ｎの電位は整流回路２の出力電圧Ｅdcの１／２である。
【００２５】
また整流回路２の直流出力端子間には三相電圧制御型インバータ回路４が接続されている。このインバータ回路４は、整流回路２から出力された直流電圧を三相交流電圧に変換して、三相誘導電動機すなわち三相交流モータ５に供給する。インバータ回路４の出力周波数を変えることにより、三相交流モータ５の速度は変化する。インバータ回路４は、第１乃至第３のアーム回路４Ａ乃至４Ｃが並列接続されて構成されている。第１のアーム回路４Ａ乃至４Ｃは、それぞれ直列に接続されたトランジスタからなる２つの半導体スイッチ素子Ｑ１及びＱ２,Ｑ３及びＱ４並びにＱ５及びＱ６と、これらの半導体スイッチ素子に対してそれぞれ直列に接続されたヒューズｆ１〜ｆ６と、半導体スイッチ素子を構成するトランジスタのエミッタコレクタ回路に逆並列接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６とを含んで構成されている。各アーム回路４Ａ乃至４Ｃにおける２つの半導体スイッチ素子の接続点が第１乃至第３の出力点Ｕ乃至Ｗを構成している。これら第１乃至第３の出力点Ｕ乃至Ｗには、三相分の励磁巻線が星形結線された三相誘導電動機からなる三相交流モータの各励磁巻線の端部がそれぞれ接続されている。また第１乃至第３の出力点Ｕ乃至Ｗと分圧回路３の中性点Ｎとの間には、駆動信号に応じて切り替わって第１乃至第３の出力点Ｕ乃至Ｗを選択的に中性点Ｎに接続する中性点接続スイッチ回路７が配置されている。中性点接続スイッチ回路７は、駆動信号が無いときに開状態になり、駆動信号が入力されている間は閉状態となる電磁スイッチ等からなる開閉制御が可能な３つの常開接点ＳＷ１〜ＳＷ３により構成されている。
【００２６】
駆動信号は、中性点接続スイッチ駆動回路８から供給される。中性点接続スイッチ駆動回路８は、第１乃至第３のアーム回路４Ａ乃至４Ｃをそれぞれ構成する２つの半導体スイッチ素子の故障を検出する故障素子判定手段９の判定結果に基づいて、故障している半導体スイッチ素子を含むアーム回路の出力点を中性点Ｎに接続するために中性点接続スイッチ回路７に駆動信号を出力する。故障素子判定手段９は、例えば、第１乃至第３のアーム回路４Ａ乃至４Ｃの第１乃至第３の出力点Ｕ乃至Ｗから三相交流モータ５の三相分の励磁巻線にそれぞれ供給されるモータ電流を図示しないモータ電流検出器を用いて検出し、各相のモータ電流のの有無または大小に基づいて、第１乃至第３のアーム回路４Ａ乃至４Ｃをそれぞれ構成する半導体スイッチ素子の故障を検出する。例えば、出力点Ｖからのモータ電流が他の出力点Ｕ及びＷからのモータ電流と比べて小さくなっている場合には、第２のアーム回路４Ｂを構成する半導体スイッチ素子Ｑ３又はＱ４のいずれかまたは両方が故障しているものと判断することができる。なお出力点から流れ出る電流の極性を見れば、アーム回路を構成する２つの半導体スイッチ素子のいずれが故障しているのかが判別できる。このようにして故障素子判定手段９が、故障が発生している半導体スイッチ素子または故障が発生している半導体スイッチ素子が含まれているアーム回路を判別すると、そのアーム回路の出力点を中性点Ｎに接続するための駆動信号が、中性点接続スイッチ駆動回路８から中性点接続スイッチ回路７に出力される。図示の例では、半導体スイッチ素子Ｑ３が故障しているため、常開接点ＳＷ２が閉状態になって、出力点Ｖが中性点Ｎに接続されている。このようにすると、三相交流モータ５の三相分の励磁巻線はＶ結線されたのと同じ状態になる。この点は後に説明する。
【００２７】
６個の半導体スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６は、ＰＷＭ制御器１０から出力されるＰＷＭ制御信号によりＰＷＭ（パルス幅変調）制御される。ＰＷＭ制御器１０は、位相が１２０度ずつ異なる所定の周波数の３種類の正弦波信号を発生する正弦波信号発生回路と、これらの正弦波信号を入力として各相分のＰＷＭ制御信号を発生するＰＷＭ制御回路とを含んで構成されている。ＰＷＭ制御器１０は、正弦波信号と三角波信号のキャリア信号との比較により得たパルス幅が変調されたパルス信号をＰＷＭ制御信号として、半導体スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６のベースにそれぞれ出力する。またこのＰＷＭ制御器１０は、故障素子判定手段９の判定結果に応じて、故障している半導体スイッチ素子を含む１つのアーム回路以外の２つのアーム回路を構成する４個の半導体スイッチ素子にＰＷＭ制御信号を与えて、位相差π／３を持つ線間電圧が、三相交流モータの三相分の励磁巻線に現れるように構成されている。具体的には、位相が６０度ずつ異なる所定の周波数の２種類の正弦波信号を用いて、故障している半導体スイッチ素子を含む１つのアーム回路以外の２つのアーム回路を構成する４個の半導体スイッチ素子のためのＰＷＭ制御信号を作るように構成されている。なおこのようなＰＷＭ制御器の機能は、市販のインバータ回路のドライバ回路に含まれている一般的なＰＷＭ制御回路に入力される位相が１２０度異なる３つの正弦波信号の代わりに、位相が６０度ずつ異なる所定の周波数の２種類の正弦波信号を対応する相の入力部に入力することにより得られる。
【００２８】
バルブデバイス即ち半導体スイッチ素子の故障モードは過電流による短絡、経年劣化等による開放の二通りである。各アーム回路の両端に挿入した電力用のヒューズｆ１〜ｆ６は、半導体スイッチ素子が短絡故障した場合においても開放となる。従って、半導体スイッチ素子に故障が起こると故障相は開放となる。このとき、故障素子判定手段９とＰＷＭ制御器１０の前述した機能により、故障の起こったアーム回路の半導体スイッチ素子への導通信号は遮断される。そして中性点接続スイッチ回路８中の常開接点が閉じることにより、故障した相の電動機端子即ち故障した半導体スイッチ素子を含むアーム回路の出力点が、直流電圧平滑用のコンデンサＣ１及びＣ２の中性点Ｎに接続される。先に述べたように、図１の例では、Ｖ相のプラス側の半導体スイッチ素子Ｑ３が故障し、三相交流モータ５のＶ相（故障相）が常開接点ＳＷ２が閉じることにより直流側の中性点に接続されている例を示している。以下の説明では、Ｖ相を故障相と仮定し説明する。
【００２９】
本実施の形態［応急運転法（二相三線式駆動法）］では、応急運転時は故障の起こった相（Ｖ相）が接続された直流側の中性点Ｎの電圧を基準として、正常動作できる他の二相（Ｕ相・Ｗ相）から、直流側の中性点Ｎに対して、位相差π／３［ｒａｄ］を持つ正弦波電圧を印加することによって、変圧器のＶ結線と同様の原理で、モータ５の相電圧に位相差π／３［ｒａｄ］の三相平衡電圧を印加することができる。この状態を本願明細書では、応急運転時または二相三線式駆動時と言う。下記式（１）及び式（２）は、このときの各電圧を示す。
【００３０】
【数１】

図２に二相三線式駆動時のモータの電圧フェーザ図を示す。図２では位相角をＶ_ＵＶを基準に反時計周りを正方向と定義している。応急運転時は、インバータの直流電源電圧Ｅdcが正常時と同一であり、直流側の中性点Ｎの電圧を基準としてモータの励磁巻線に線間電圧を印加するため、インバータ回路４が印加できる線間電圧の最大値は正常時線間電圧に比べ１／２倍となる。従って、定格トルクを得ようとすると運転速度の上限は低くなる。
【００３１】
図３及び図４に応急運転による実験結果の一例を示す。実験装置の主要諸元は下記の表１に示す通りであった。
【００３２】
【表１】

二相三線式駆動の特性観察のため、まず定格周波数で駆動を行った実験結果を図３に示す。インバータ回路の周波数はｆ＝５０［Ｈｚ］、変調率ａ＝０．９とし、直流電源電圧Ｅdcの制限により、電動機磁束は正常時の半分の運転条件で駆動を行った。また、このときは出力の電流帰還制御は行っていない。二相三線式駆動時において、誘導機の相電圧が三相平衡電圧となり、三相平衡状態で電動機を駆動できていることが図３から分かる。但し、この状態では、トルクが半減するものの応急運転は可能である。
【００３３】
定格トルクを落とさずに応急運転するためには、インバータ回路の周波数を下げる必要がある。本願明細書では、インバータ回路の周波数を定常運転時よりも下げて応急運転するときを低周波数駆動時と言う。この応急運転を想定した低周波数駆動時における実験結果を図４に示す。インバータ回路の周波数をｆ＝２５［Ｈｚ］、変調率ａ＝１．０とし、電動機磁束を平常時と同じになるように設定した。図４の結果では、三相電流は不平衡で振幅も安定していない。このような状態でも一応の応急運転は可能であるが好ましくない。図５に、図４の実験における直流側電圧及び故障相電流波形（Ｖ相電流）と、直流側の中性点Ｎの電圧を示す。三相電流が不平衡で振幅も安定しないのは、直流側の中性点Ｎに故障相電流（Ｖ相電流）が流れることで直流側の中性点Ｎの電圧が変動し、インバータ回路が図２に示した所定の電圧をモータ（誘導機）に印加できず、相電圧が正しく制御されていないためである。不平衡電流が直流側の中性点Ｎの電圧変動をさらに促進するため、モータ（誘導機）は不安定な運転状態となる。直流側の中性点Ｎに流れる電流を簡単化して２^１／２Ｉｓｉｎωtと表すと、直流側の中性点Ｎの電圧変動分Δν_Ｎは以下の式（３）で求められる。
【００３４】
【数２】

ここに、Δν_Ｎは直流側の中性点Ｎの電圧変動分である。
【００３５】
基本波周波数で直流側の中性点の電圧が変動し、低周波数駆動時、重負荷駆動時において出力電圧への影響が顕著となる。応急運転時おいて、定格トルクを得る低周波では、定格電流が直流側の中性点に流れ、電動機は不安定な状態となり運転が困難となる。そこで応急運転の際には、直流側の中性点の電圧変動を考慮したインバータ回路の制御法を用いるのが好ましい。
【００３６】
図６は、直流側の中性点の電圧変動を考慮したインバータ装置の主要部の構成を示す回路図である。図６において、図１に示した回路図と同様の部品には、図１に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。また図７には、図６の制御部の構成をブロック図で示してある。図７においては、図示を簡略化するために、多相の部分も単相のようにして図示してある。更に図８は、図７の回路の主要部の更なる詳細を示している。
【００３７】
図６に示すように、この実施の形態の制御部は、大きく分けて、ＰＷＭ制御器１０１と、モータ電流検出器１０８と、故障素子判定器１０９と、中性点電圧検出器１１４とを備えている。モータ電流検出器１０８は、各相の相電流を検出する３台の変流器により構成される。図７に示すように、故障素子判定器１０９は、故障素子判定手段１１０と中性点接続スイッチ駆動回路１１２とから構成される。故障素子判定手段１１０は、モータ電流検出器１０８が検出した第１乃至第３のアーム回路４Ａ乃至４Ｃの第１乃至第３の出力点Ｕ乃至Ｗから三相交流モータ５の三相分の励磁巻線にそれぞれ供給されるモータ電流ｉu乃至ｉwに基づいて、第１乃至第３のアーム回路４Ａ乃至４Ｃをそれぞれ構成する２つの半導体スイッチ素子の故障を検出する。図８に示すように、この例では、各相のモータ電流ｉu乃至ｉwの実効値電流を実効値電流演算手段１１１で演算し、演算結果を故障相判定部１１２で予め定めた基準値と比較して、演算結果が基準値よりも小さくなった相で故障が発生したと判定する。この例では、１つのアーム回路に含まれる２つの半導体スイッチ素子のうちいずれが故障したかまでは判別できない。しかし実際には、故障が発生した相が特定できればよく、このことは特に問題とはならない。故障相判定部１１２による判定結果は、中性点接続スイッチ駆動回路１１３（図７）と後述する切換スイッチ駆動回路１０３ｂ（図８）とに与えられる。先の実施の形態と同様に、判定結果が中性点接続スイッチ駆動回路１１３（図７）に入力されると駆動信号により指定された中性点接続スイッチ回路７の常開接点が閉じられ、故障が発生している相のアーム回路の出力点が直流側の中性点Ｎに接続される。
【００３８】
ＰＷＭ制御器１０１は、ＰＷＭ制御回路１０２と、信号切換回路１０３と、第1の正弦波信号発生回路１０４と、第２の正弦波信号発生回路１０５と、中性点電圧変動分検出回路１０６と、加算手段１０７とを備えている。第１の正弦波信号発生回路１０４は、位相が１２０度ずつ異なる所定の周波数（具体例では５０Ｈｚ）の３種類の正弦波信号を発生する。また第２の正弦波信号発生回路１０５は、位相が６０度ずつ異なる所定の周波数（具体例では２５Ｈｚ）の２種類の正弦波信号を発生する。図８には、正弦波信号の位相が相違することを示すためにブロックの内部に出力される正弦波信号の位相角を記載してある。
【００３９】
中性点電圧変動分検出回路１０６は、中性点電圧検出器１１４によって検出した中性点Ｎの電圧変動分を検出する。中性点電圧検出器１１４は、中性点とアースとの間の電圧に比例した値を測定できれば、いかなるものであってもよく、例えば、適宜の抵抗体分圧回路により構成することができる。中性点電圧変動分検出回路１０６は、図８に示すように、中性点電圧変動分Δν_Ｎを、中性点の電圧と予め定めた基準電圧（直流電圧が２００Ｖであれば、１００Ｖ）とを比較器１０６ａで比較することにより求める。電圧変動分Δν_Ｎは、加算手段１０７を構成する第１及び第２の加算回路１０７ａ及び１０７ｂにより、第２の正弦波信号発生回路１０５から出力される位相が６０度異なる２種類の正弦波信号にそれぞれ加算される。
【００４０】
信号切換回路１０３は、故障素子判定手段１１０の判定結果に応じて、故障している半導体スイッチ素子を含む１つのアーム回路以外の２つのアーム回路を構成する４個の半導体スイッチ素子にＰＷＭ制御信号を与えるために、第１の正弦波信号発生回路から出力される３種類の正弦波信号に代えて、第２の正弦波信号発生回路１０５から出力される２種類の正弦波信号に第１及び第２の加算回路１０７ａ及び１０７ｂによって中性点Ｎの電圧変動分Δν_Ｎを加算した指令信号をＰＷＭ制御回路１０２に与える。図８に概念的に示すように、信号切換回路１０３は、切換スイッチ回路１０３ａと、故障素子判定手段１１０の判定結果により切換のための駆動信号を出力する切換スイッチ駆動回路１０３ｂとから構成される。切換スイッチ駆動回路１０３ｂは故障素子判定手段１１０が半導体スイッチ素子の故障を判定しない場合には、各スイッチ回路ＳＷ１１〜ＳＷ１３の接点を第１の正弦波信号発生回路１０４の３つの出力部に接続された接点にそれぞれ接続している。したがってこの状態では、ＰＷＭ制御回路１０２に、１２０度位相の異なる正弦波信号が指令信号として入力されている。また故障素子判定手段１１０が、故障した半導体スイッチ素子を含むアーム回路を検出して故障相判定部１１２から故障した半導体スイッチ素子を含むアーム回路の相を示す信号が切換スイッチ駆動回路１０３ｂに入力されると、切換スイッチ駆動回路１０３ｂは故障した半導体スイッチ素子を含むアーム回路以外の２つのアーム回路に含まれる４つの半導体スイッチ素子にＰＷＭ制御信号を与えるために、ＰＷＭ制御回路の適宜の相の正弦波信号入力端子（故障した半導体スイッチ素子が含まれるアーム回路の相以外の２つの相に対応する正弦波信号入力端子）に位相が６０度異なる２種類の正弦波信号を供給するように切換スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３を切り換える。この切換により、故障した半導体スイッチ素子が含まれるアーム回路の２つの半導体スイッチ素子への導通信号の供給は停止される。そして残りの正常なアーム回路に含まれる４つの半導体スイッチ素子には、電気的にはＶ結線状態になっている交流モータ５の励磁巻線を励磁して三相平衡電圧を得ることができるようにするための、ＰＷＭ制御信号がＰＷＭ制御回路１０２から各半導体スイッチ素子のベースに与えられる。
【００４１】
図６を用いて、直流側の中性点Ｎの電圧変動を考慮したインバータ出力電圧の補正原理を説明する。インバータ直流電源電圧Ｅdcは常に一定と考える。基準を直流側のマイナス側母線電位のＯにとる。変動がない場合の中性点の電圧は（１／２）Ｅdcとなる。直流側の中性点Ｎの電圧がΔν_Ｎだけ変動すると、中性点の電圧ν_ＮＯは（１／２）Ｅｄｃ＋Δν_Ｎとなる。変動時においても所定の線間電圧を印加するには、ν_ＵＮとν_ＷＮの電位差を正常時と同一にすればよい。つまり、変動がない場合のν_ＵＯ、ν_ＷＯに対して、それぞれν_ＵＯ＋Δν_Ｎ、ν_ＷＯ＋Δν_Ｎとすればよい。従って、直流側の中性点Ｎの電圧変動を考慮し、線間に任意の電圧を印加するには、電圧変動分Δν_Ｎを加算した電圧を、正常な相へ印加すればよい。以上を考慮し、電圧変動分を考慮した指令値を与えるには、Ｕ相−Ｖ相、Ｖ相−Ｗ相の線間電圧に対する直流側電圧は（１／２）Ｅdcとなるので、指令値（正弦波信号）が比較される三角波の振幅を１とすれば、補正前の指令値ν^＊ _ｒｅｆに電圧に対する電圧変動割合を加算し、以下の式（４）に示す指令値ν^＊＊ _ｒｅｆとすればよい。
【００４２】
【数３】

図９及び図１０に、直流電圧側の変動分を補正する制御を用いた実験結果の一例を示す。実験条件は図４に示した実験条件と同様に設定した。図９には相電流波形、図１０には直流側の中性点Ｎの電圧特性を示した。図９及び図１０から分かるように、このような補正を行うと、図４及び図６に示す実験結果と比較して、直流側の中性点Ｎの電圧変動の影響が顕著になる低周波数駆動時（２５Ｈｚ時）においても、三相平衡状態で交流モータ（誘導機）を応急運転できる。
【００４３】
図１１に応急運転時のトルク−すべり特性結果を示す。実験条件は図４に示した実験条件と同様に設定した。平常時はインバータ回路の運転条件を周波数ｆ＝５０［Ｈｚ］とし、変調率ａ＝０．９とし、応急運転時は電動機磁束が定格運転時と同様になるように、周波数ｆ＝２５［Ｈｚ］とし、変調率ａ＝０．９とした。この結果からも、応急運転時において、平常時と同様のトルク−すべり特性を示し、応急運転においても正常時と同等のトルクが得られることが分かる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、故障した半導体スイッチ素子を含むアームの出力点を整流回路の出力電圧を等分する中性点に接続することにより、三相の励磁巻線のうち健全な二相の励磁巻線をＶ結線し、健全な二相の励磁巻線に流れる電流を制御する２つのアームに含まれる４つの半導体スイッチ素子をＰＷＭ制御して、Ｖ結線された二相の励磁巻線により三相平衡の出力電流を得ることができる。そのため本発明によれば、特別に設計したモータや特別に設計したインバータ回路を用いなくても、インバータ回路を構成する半導体スイッチ素子が故障した場合に、応急運転を簡単に行うことができる利点がある。
【００４５】
また直流側の中性点の電圧の変動分を検出してインバータ回路のパルス幅変調の指令値（正弦波信号）に帰還（加算）すれば、中性点の電圧の変動の影響を抑制して、良好な出力電流波形を得られる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の三相交流モータ駆動用インバータ装置の一実施の形態の構成の主要部を示す回路図である。
【図２】二相三線式駆動時のモータの電圧フェーザ図である。
【図３】定格周波数駆動時における電流波形を示す図である。
【図４】低周波数駆動時における電流波形を示す図である。
【図５】低周波数駆動時における直流電圧、中性点の電圧及びＶ相電流波形を示す図である。
【図６】直流側の中性点電圧変動を考慮したインバータ装置の主要部の構成を示す回路図である。
【図７】図６の制御部の構成を示すブロック図である。
【図８】図７の回路の主要部の詳細を示す図である。
【図９】図６の実施の形態において、補正制御を低周波数駆動時における電流波形を示す図である。
【図１０】補正制御を用いた低周波数駆動時における直流電圧、中性点の電圧及びＶ相電流波形を示す図である。
【図１１】正常駆動時と応急運転時における電動機トルクの出力特性を示す図である。
【符号の説明】
１三相交流電源
２整流回路
３分圧回路
４インバータ回路
５交流モータ（誘導機）
７中性点接続スイッチ回路
８中性点接続スイッチ駆動回路
９故障素子判定手段
１０，１０１ＰＷＭ制御器
１０２ＰＷＭ制御回路
１０３信号切換回路
１０４第１の正弦波信号発生回路
１０５第２の正弦波信号発生回路
１０６中性点電圧変動分検出回路
１０７加算手段
１０７ａ，１０７ｂ第１及び第２の加算回路
１０８モータ電流検出器
１０９故障素子判定器
１１０故障素子判定手段
１１４中性点電圧検出器
Ｎ中性点

Claims

交流電源の出力を整流する整流回路を含んで構成される直流電源回路と、
それぞれ直列に接続された２つの半導体スイッチ素子と該半導体スイッチ素子に対して直列に接続されたヒューズとを含んで構成された第１乃至第３のアーム回路が並列接続されて構成され、前記直流電源回路から供給される直流電圧を三相交流電圧に変換する三相電圧制御型インバータ回路と、
前記三相電圧制御型インバータ回路を構成する６個の前記半導体スイッチ素子をそれぞれＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号を発生するＰＷＭ制御回路を含むＰＷＭ制御器とを備えて三相分の励磁巻線が星形結線された三相交流モータを駆動する三相交流モータ駆動用インバータ装置であって、
前記直流電源回路は前記整流回路の出力電圧を等分して中性点に出力する分圧回路を備えており、
前記第１乃至第３のアーム回路をそれぞれ構成する前記半導体スイッチ素子の故障を検出する故障素子判定手段と、
前記第１乃至第３のアーム回路をそれぞれ構成する前記２つの半導体スイッチ素子の接続点によってそれぞれ構成される第１乃至第３の出力点と前記中性点との間に配置されて前記第１乃至第３の出力点を選択的に前記中性点に接続する中性点接続スイッチ回路と、
前記故障素子判定手段の判定結果に基づいて、故障している半導体スイッチ素子を含む前記アーム回路の前記出力点を前記中性点に接続するために前記中性点接続スイッチ回路に駆動信号を出力する中性点接続スイッチ駆動回路とを更に備え、
前記ＰＷＭ制御器は、前記故障素子判定手段の判定結果に応じて、故障している前記半導体スイッチ素子を含む１つの前記アーム回路以外の２つの前記アーム回路を構成する４個の前記半導体スイッチ素子にＰＷＭ制御信号を与えて、位相差π／３［ｒａｄ］を持つ線間電圧が第１乃至第３の出力点間に現れるように構成されていることを特徴とする三相交流モータ駆動用インバータ装置。
交流電源の出力を整流する整流回路を含んで構成される直流電源回路と、
それぞれ直列に接続された２つの半導体スイッチ素子と該半導体スイッチ素子に対して直列に接続されたヒューズとを含んで構成された第１乃至第３のアーム回路が並列接続されて構成され、前記直流電源回路から供給される直流電圧を三相交流電圧に変換する三相電圧制御型インバータ回路と、
位相が１２０度ずつ異なる所定の周波数の３種類の正弦波信号を発生する第１の正弦波信号発生回路及び、前記３種類の正弦波信号を入力として、前記三相電圧制御型インバータ回路を構成する６個の前記半導体スイッチ素子をそれぞれＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号を発生するＰＷＭ制御回路を含むＰＷＭ制御器とを備えて三相分の励磁巻線が星形結線された三相交流モータを駆動する三相交流モータ駆動用インバータ装置であって、
前記直流電源回路は、前記整流回路の出力電圧を等分して中性点に出力する分圧回路を備えており、
前記第１乃至第３のアーム回路をそれぞれ構成する前記２つの半導体スイッチ素子の接続点によってそれぞれ構成される第１乃至第３の出力点から前記三相交流モータの前記三相分の励磁巻線にそれぞれ供給されるモータ電流に基づいて、前記第１乃至第３のアーム回路をそれぞれ構成する前記半導体スイッチ素子の故障を検出する故障素子判定手段と、
前記第１乃至第３の出力点と前記中性点との間に配置されて前記第１乃至第３の出力点を選択的に前記中性点に接続する中性点接続スイッチ回路と、
前記故障素子判定手段の判定結果に基づいて、故障している半導体スイッチ素子を含む前記アーム回路の前記出力点を前記中性点に接続するために前記中性点接続スイッチ回路に駆動信号を出力する中性点接続スイッチ駆動回路とを更に備え、
前記ＰＷＭ制御器は、
位相が６０度ずつ異なる所定の周波数の２種類の正弦波信号を発生する第２の正弦波信号発生回路と、
前記故障素子判定手段の判定結果に応じて、故障している前記半導体スイッチ素子を含む１つの前記アーム回路以外の２つの前記アーム回路を構成する４個の前記半導体スイッチ素子にＰＷＭ制御信号を与えるために、前記３種類の正弦波信号に代えて前記２種類の正弦波信号を前記ＰＷＭ制御回路に入力する信号切換回路とを更に備え、
前記ＰＷＭ制御回路は、前記３種類の正弦波信号に代えて前記２種類の正弦波信号が入力されると、前記三相交流モータの前記励磁巻線がＶ結線されたものとして所定の前記励磁巻線を励磁するための前記ＰＷＭ制御信号を出力するように構成されていることを特徴とする三相交流モータ駆動用インバータ装置。
交流電源の出力を整流する整流回路を含んで構成される直流電源回路と、
それぞれ直列に接続された２つの半導体スイッチ素子と該半導体スイッチ素子に対して直列に接続されたヒューズとを含んで構成された第１乃至第３のアーム回路が並列接続されて構成され、前記直流電源回路から供給される直流電圧を三相交流電圧に変換する三相電圧制御型インバータ回路と、
位相が１２０度ずつ異なる所定の周波数の３種類の正弦波信号を発生する第１の正弦波信号発生回路及び、前記３種類の正弦波信号を入力として、前記三相電圧制御型インバータ回路を構成する６個の前記半導体スイッチ素子をそれぞれＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号を発生するＰＷＭ制御回路を備えて三相分の励磁巻線が星形結線された三相交流モータを駆動する三相交流モータ駆動用インバータ装置であって、
前記直流電源回路は、前記整流回路の出力電圧を等分して中性点に出力する分圧回路を備えており、
前記第１乃至第３のアーム回路をそれぞれ構成する前記２つの半導体スイッチ素子の接続点によってそれぞれ構成される第１乃至第３の出力点から前記三相交流モータの励磁巻線にそれぞれ供給されるモータ電流に基づいて、前記第１乃至第３のアーム回路をそれぞれ構成する前記半導体スイッチ素子の故障を検出する故障素子判定手段と、
前記第１乃至第３の出力点と前記中性点との間に配置されて前記第１乃至第３の出力点を選択的に前記中性点に接続する中性点接続スイッチ回路と、
前記故障素子判定手段の判定結果に基づいて、故障している半導体スイッチ素子を含む前記アーム回路の前記出力点を前記中性点に接続するために前記中性点接続スイッチ回路に駆動信号を出力する中性点接続スイッチ駆動回路とを更に備え、
前記ＰＷＭ制御器は、
位相が６０度ずつ異なる所定の周波数の２種類の正弦波信号を発生する第２の正弦波信号発生回路と、
前記中性点電圧変動分を検出する中性点電圧変動分検出回路と、
前記第２の正弦波信号発生回路から出力される前記２種類の正弦波信号に前記中性点電圧変動分をそれぞれ加算する第１及び第２の加算回路と、
前記故障素子判定手段の判定結果に応じて、故障している前記半導体スイッチ素子を含む１つの前記アーム回路以外の２つの前記アーム回路を構成する４個の前記半導体スイッチ素子にＰＷＭ制御信号を与えるために、前記３種類の正弦波信号に代えて前記第１及び第２の加算回路から出力される前記中性点電圧変動分を含む前記２種類の正弦波信号を前記ＰＷＭ制御回路に入力する信号切換回路とを更に備え、
前記ＰＷＭ制御回路は前記３種類の正弦波信号に代えて前記２種類の正弦波信号が入力されると、前記三相交流モータの前記励磁巻線がＶ結線されたものとして所定の前記励磁巻線を励磁するための前記ＰＷＭ制御信号を出力するように構成されていることを特徴とする三相交流モータ駆動用インバータ装置。
前記第２の正弦波信号発生回路から出力される前記２種類の正弦波信号の周波数は、前記第１の正弦波信号発生回路から出力される前記３種類の正弦波信号が前記ＰＷＭ制御回路に入力されているときに得られる定格トルクと実質的に同じトルクが得られるように、前記３種類の正弦波信号の周波数よりも低く設定されていることを特徴とする請求項３に記載の三相交流モータ駆動用インバータ装置。
前記分圧回路は、容量の等しい２つのコンデンサが直列に接続されて構成されており、前記２つのコンデンサの接続点が前記中性点を構成している請求項１，２または３に記載の三相交流モータ駆動用インバータ装置。
前記故障素子判定手段は、前記第１乃至第３の出力点から前記三相交流モータに出力される三相電流を検出するモータ電流検出器の出力に基づいて、相電流の有無から前記故障した半導体スイッチ素子を判定するように構成されている請求項１，２または３に記載の三相交流モータ駆動用インバータ装置。
前記中性点電圧変動分検出回路は、基準電圧と前記中性点の電圧とを比較して前記電圧変動分を検出するように構成されている請求項３に記載の三相交流モータ駆動用インバータ装置。